KR100802748B1 - 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래에는 연료전지 활성화를 위해서 전자부하의 저항을 이용하여 전력을 발생시켜 수소를 소모하였던 것을 개선하여, 연료전지에서 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해하고 이때 발생되는 수소와 산소를 다시 활성화 절차에 이용함으로써, 활성화 과정에서 소모되는 수소를 획기적으로 감소시킬 수 있고, 종래에는 대기에 존재하는 약 21%의 산소를 이용하였으나, 물의 전기분해를 이용하여 생성된 산소를 직접 이용함으로써, 공기보다 적은 양으로 높은 효율과 성능을 나타낼 수 있도록 한 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전력을 발생시키는 연료전지와; 상기 연료전지의 성능을 활성화하기 위해 일정 운전조건 하에서 연료전지에 부하를 인가하지 않는 무부하 상태 및 부하를 인가하는 부하상태를 일정시간 동안 유지하는 것을 1사이클로 하여 여러번 반복하는 연료전지 활성화 장치와; 상기 연료전지에서 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해하는 전기분해장치와; 상기 연료전지와 전기분해장치 사이에 설치되고, 상기 연료전지에서 발생된 전력을 수집하여 전기분해장치에 공급하는 전력 수집 및 공급장치와; 상기 전기분해장치에 의해 발생된 수소 및 산소를 저장하여 상기 연료전지 활성화 장치에 공급하는 수소탱크 및 산소탱크;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치를 제공한다.
연료전지, 활성화장치, 전기분해, 분리판, 전극막 접합체, 전자부하

Description

연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치{Supply system of hydrogen and oxygen for activation of fuel cell}
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치의 일실시예를 나타내는 구성도이고,
도 2는 양산시 본 발명에 따른 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치의 다른 실시예를 나타내는 구성도이고,
도 3은 종래기술에 따른 연료전지 활성화 장치의 일례를 나타내는 구성도이고,
도 4는 종래기술에 따른 연료전지 스택의 모형도를 나타내는 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 11 : 연료전지 활성화장치
12 : 수소탱크 13 : 산소탱크
14 : 전력 수집 및 공급장치 15 : 전지분해장치
16 : 물탱크 17 : 전극봉
18 : 분리판 19 : 전극막 접합체
20 : 엔드플레이트 21 : 전자부하
22 : 공기펌프
본 발명은 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래에는 연료전지 활성화를 위해서 전자부하의 저항을 이용하여 전력을 발생시켜 수소를 소모하였던 것을 개선하여, 연료전지에서 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해하고 이때 발생되는 수소와 산소를 다시 활성화 절차에 이용함으로써, 활성화 과정에서 소모되는 수소를 획기적으로 감소시킬 수 있고, 종래에는 대기에 존재하는 약 21%의 산소를 이용하였으나, 물의 전기분해를 이용하여 생성된 산소를 직접 이용함으로써, 공기보다 적은 양으로 높은 효율과 성능을 나타낼 수 있도록 한 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 크게 전기 화학적 반응을 일으키는 전극과, 이 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질막과, 이러한 전극과 전해질을 지지하는 분리판으로 이루어져 있다.
고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요없는 장점을 가지고 있다.
또한, 배기가스로 순수하게 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 현재 전세계 자동차업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
상기 고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로서, 전지내(분리판)로 공급된 수소가 아노드(Anode)전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 이 분리된 수소이온은 상기 전해질막을 통해 캐소드(Cathode)로 넘어가게 되어, 결국 수소이온은 전지내(분리판)로 공급된 산소 및 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
이때 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.
Anode : H2 → 2H+ + 2e-
Cathode : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O
실제 자동차용 연료전지에서는 위에서 나타난 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위전지를 필요한 전위만큼 적층하여야 한다.
이렇게 적층하는 것을 스택(Stack)이라 하며, 그 스택 모형도는 첨부한 도 4 에 도시된 바와 같다.
도 4에 도시된 연료전지 스택의 구조를 간략히 살펴보면, 다수의 분리판(18)이 전극막 접합체(19)(MEA;Membrane Electrolyte Assembly) 및 가스확산층을 사이에 두고 적층 부착되며, 이 분리판(18)의 양단면에는 엔드플레이트(20)가 밀착 고 정되며, 상기 분리판(18)과 엔드플레이트(20)를 체결수단으로 묶어주는 구조를 이루고 있다.
이때, 상기 엔드플레이트(20)에는 하나의 단자((+) 또는 (-) 단자)가 형성되어 있다.
그런데, 상기 연료전지의 전극은 나피온과 같은 수소이온 전달체와 백금과 같은 촉매를 혼합하여 만드는데, 연료전지 제작 후 초기 운전하여 전기화학 반응시 그 활성도가 떨어진다.
그 이유로는 첫째 반응물의 이동 통로가 막혀 촉매까지 도달할 수 없기 때문이고, 둘째 촉매와 같이 삼상계면을 이루고 있는 나피온과 같은 수소이온 전달체가 운전 초기 쉽게 가수화가 되지 않기 때문이고, 셋째 수소이온 및 전자의 연속적인 이동성 확보가 되지 않았기 때문이다.
이 때문에 전극막 접합체(19) 및 분리판(18)을 이용하여 연료전지 조립한 후 연료전지의 성능을 최대한 확보하기 위해서는 활성화(Activation)라는 절차가 필요하다.
프리컨디션닝(Pre-conditioning), 브레이크 인(break-in)으로 불리기도 하는 이러한 활성화의 목적은 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화 하고, 전해질 막 및 전극내 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온 통로를 확보하는 것이다.
연료전지 본체 조립 후 최고 성능까지 도달하기 위해 실시하는 활성화는 운전 조건에 따라 수시간 또는 수일이 걸릴 수 있고, 적절치 못한 활성화로 인해 연료전지가 최고의 성능에 도달하지 못한 채 운전될 수도 있다.
이와같이 부적절한 활성화 절차는 연료전지 대량 생산시 생산 속도를 감소시키고, 많은 양의 수소 사용을 초래하여 스택 단가를 상승시키게 되며, 낮은 스택 성능을 유지시킨다.
현재 당사에서 수행되고 있는 활성화 절차는 일정운전 조건하에서 스택에 부하를 인가(저항을 연결하여 전류를 소모하는 것)하지 않는 상태인 무부하 상태(OCV;Open Circuit Voltage)에서 1분유지 하고, 350A의 전류를 발생시키는 부하상태에서 5분간 유지하는 것을 1 사이클로하여, 스택의 정격전력의 95% 이상이 될 때까지 사이클을 반복하게 된다.
평균적으로 활성화 절차는 약 25~30 사이클로 이루어지며, 상기 활성화 절차는 전력을 발생하면서 많은 양의 수소를 사용하게 된다.
예를들어 당사 80kW급 연료전지 승용차의 경우, 440셀(cell) 기준에서 무부하 운전시 185 L/min, 350A 부하시 1617 L/min의 수소가 필요하게 되고, 활성화 절차의 1사이클당 필요한 수소의 양은 다음과 같다.
(185 L/min*1min)+(1,617 L/min*5min) = 8,270 L
따라서 25~30 사이클운전시 활성화 과정에서 소모되는 수소는 206,750 ~248,100 L가 된다.
현재 스택에 부하를 주기 위해서는 도 3에 도시한 바와 같이 전자부하(21)를 사용하고 있고, 전자부하(21)는 장치내에 저항을 연결하여 전류를 소모시키는 장치로서, 저항에 전류가 흐를 때 발생하는 열을 냉각수에 의해 냉각시키게 된다.
이러한 시스템은 과도한 수소를 사용하여 연료전지에서 발생되는 전력이 냉 각수를 가열시키는 데 사용되는 비효율적인 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지의 활성화하기 위해 연료전지에 수소 및 산소를 공급하고 저항을 연결하여 전력을 소모해 버리는 비효율성을 개선하여, 연료전지에서 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해해서 수소 및 산소를 생산하고, 이때 발생된 수소 및 산소를 다시 연료전지 스택을 활성화하는데 사용함으로써, 연료전지 활성화 과정에서 소모되는 수소를 현저하게 감소시킬 수 있고, 물의 전기분해에서 생성되는 산소를 직접 이용할 경우에 공기보다 적은 양으로 높은 효율 및 성능을 나타낼 수 있도록 한 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치에 있어서,
수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전력을 발생시키는 연료전지와; 상기 연료전지의 성능을 활성화하기 위해 일정 운전조건 하에서 연료전지에 부하를 인가하지 않는 무부하 상태 및 부하를 인가하는 부하상태를 일정시간 동안 유지하는 것을 1사이클로 하여 여러번 반복하는 연료전지 활성화 장치와; 상기 연료전지에서 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해하는 전기분해장 치와; 상기 연료전지와 전기분해장치 사이에 설치되고, 상기 연료전지에서 발생된 전력을 수집하여 전기분해장치에 공급하는 전력 수집 및 공급장치와; 상기 전기분해장치에 의해 발생된 수소 및 산소를 저장하여 상기 연료전지 활성화 장치에 공급하는 수소탱크 및 산소탱크;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 전기분해장치는 물을 저장하는 일정한 용적을 갖는 물탱크와, 상기 물탱크에 설치되어 전기분해를 통해 물에서 수소 및 산소로 분리시키는 전극봉을 포함하여 구성되고, 상기 전기분해장치에서 분리된 수소 및 산소는 수소탱크 및 산소탱크에 각각 저장되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치의 일실시예를 나타내는 구성도이고, 도 2는 양산시 본 발명에 따른 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치의 다른 실시예를 나타내는 구성도이다.
본 발명은 기존의 시스템에서 전자부하(21)를 이용하여 전력을 소모해 버리는 비효율성을 개선하여, 연료전지 스택(10)(이하,'연료전지'라고 함)에서 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해하여서 수소를 생산하고, 이때 발생된 수소를 다시 연료전지(10)를 운전하는데 사용할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
기존의 활성화 시스템은 활성화를 위해서 전자부하(21)의 저항을 이용하여 전력을 발생시켜 수소를 소모하였다.
이에 반해 본 발명에 따른 활성화 시스템은 연료전지(10)에서 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해하고, 이때 발생되는 수소와 산소를 다시 활성화 절차에 이용하게 된다.
전술한 바와 같이, 종래의 활성화 시스템은 수소가 저장된 수소탱크(12)와, 대기를 흡입하는 공기펌프(22)로부터 수소 및 공기를 공급받고, 대기 중에 포함된 산소를 분리한 후 수소 및 산소를 연료전지(10) 내에 공급한다.
상기 연료전지(10)에 부하를 주기 위해 전자부하(21)가 설치되고, 상기 전자부하(21) 장치 내에는 저항을 연결하여 전류를 소모시키되, 저항에 전류가 흐를때 발생하는 열은 냉각수를 이용하여 냉각하게 된다.
여기서, 본 발명에 따른 활성화장치(11)는 수소가 저장된 수소탱크(12)와, 산소가 저장된 산소탱크(13)로부터 수소 및 산소를 공급받아 연료전지(10) 내에 수소 및 산소를 공급한다.
상기 연료전지(10)는 활성화장치(11)로부터 수소 및 산소를 공급받아 화학작용에 의해 전력을 생산하고, 상기 전력을 이용하여 연료전지(10)에서 생성된 물을 전기분해한다.
상기 전력을 얻기 위해서 별도로 연료전지(10)에 전력 수집 및 공급장치(14)가 연결 설치되고, 상기 전력 수집 및 공급장치(14) 내에는 저항을 연결하여 전류를 소모시키되, 저항에 전류가 흐를때 발생하는 열은 냉각수를 이용하여 냉각하게 된다.
또한, 상기 전력 수집 및 공급장치(14)에는 물 전기분해장치(15)가 설치되어, 전력 수집 및 공급장치(14)로부터 전력을 공급받아 물을 전기분해하게 된다.
상기 물 전기분해장치(15)는 물을 저장할 수 있는 일정한 용적의 물탱크(16) 와, 물탱크(16) 내에서 물을 전기분해하기 위해 설치된 전극봉(17)을 포함하여 구성된다.
상기 전극봉(17)에 의해 물에서 전기분해된 수소와 산소는 각각 수소 및 산소 탱크에 공급되어 충진된다.
상기 수소탱크(12) 및 산소탱크(13)에 충진된 수소 및 산소는 연료전지 활성화장치(11)로 다시 공급되어 연료전지(10)를 활성화하는 데 사용된다.
따라서 연료전지 활성화 과정에서 소모되는 수소를 획기적으로 감소시키게 된다.
또한 현재에는 대기 중의 약 21% 존재하는 산소를 이용하여 활성화 절차를 실시하고 있다.
그러나, 본 발명에 따라 물의 전기분해에서 생성되는 산소를 직접 이용할 경우, 공기보다 적은 양으로 높은 효율과 성능을 나타낼 수 있다.
연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치는 도 2에 도시한 바와 같이 양산시 수십에서 수백대의 연료전지 활성화장치(11)를 연결하여 물 전기분해에 의한 수소 및 산소 발생장치를 운영할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치에 의하면, 연료전지의 활성화하기 위해 연료전지에 수소 및 산소를 공급하고 저항을 연결하여 전력을 소모해 버리는 비효율성을 개선하여, 연료전지에서 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해해서 수소 및 산소를 생산하고, 이때 발생된 수소 및 산소를 다시 연료전지를 활성화하는데 사용함으로써, 연료전지 활성화 과정에서 소모되는 수소를 현저하게 감소시킬 수 있고, 물의 전기분해에서 생성되는 산소를 직접 이용할 경우에 공기보다 적은 양으로 높은 효율 및 성능을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명은 양산시 수십에서 수백대의 연료전지 활성화 장치를 연결하여 물 전기분해에 의한 수소 및 산소 발생장치를 운영할 수 있다.

Claims (2)

  1. 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치에 있어서,
    수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전력을 발생시키는 연료전지(10)와;
    상기 연료전지(10)의 성능을 활성화하기 위해 일정 운전조건 하에서 연료전지(10)에 부하를 인가하지 않는 무부하 상태 및 부하를 인가하는 부하상태를 일정시간 동안 유지하는 것을 1사이클로 하여 여러번 반복하는 연료전지 활성화장치(11)와;
    상기 연료전지(10)에서 발생되는 전력을 이용하여 물을 전기분해하는 전기분해장치(15)와;
    상기 연료전지(10)와 전기분해장치(15) 사이에 설치되고, 상기 연료전지(10)에서 발생된 전력을 수집하여 전기분해장치(15)에 공급하는 전력 수집 및 공급장치(14)와;
    상기 전기분해장치(15)에 의해 발생된 수소 및 산소를 저장하여 상기 연료전지 활성화장치(11)에 공급하는 수소탱크(12) 및 산소탱크(13);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기분해장치(15)는 물을 저장하는 일정한 용적을 갖는 물탱크(16)와, 상기 물탱크(16)에 설치되어 전기분해를 통해 물에서 수소 및 산소로 분리시키는 전극봉(17)을 포함하여 구성되고, 상기 전기분해장치(15)에서 분리된 수소 및 산소는 수소탱크(12) 및 산소탱크(13)에 각각 저장되는 것을 특징으로 하는 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치.
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